污泥旋流自转干燥过程中孔隙尺度液体迁移机理：自转速度与喉部结构的影响

《Separation and Purification Technology》：Mechanisms of pore-scale liquid migration during cyclonic self-rotation drying of sludge: Effects of self-rotation speed and throat structure

　　

摘要

在深度污泥脱水中减少对热驱动相变的依赖，对于降低污水处理能耗至关重要。旋流自旋干燥（CSRD）通过高速颗粒自旋产生的离心力促进液态水去除，但孔隙尺度的迁移机制尚不清楚。本文采用 Nano-CT 和 Avizo 重建技术表征机械压滤污泥的微米级孔隙结构，并利用压汞法（MIP）提供补充验证。建立了代表性孔隙 - 喉道模型，并采用流体体积（VOF）模型模拟颗粒稳态自旋下的非相变液体迁移。考察了自旋速度和喉道尺寸的影响，并进行了中试规模 CSRD 试验以进行工程规模趋势对比。将自旋速度从 2000 增加到 4000 rad/s，使得 0.5 s 时的最终残留含水率从 58.64% 降至 9.28%，表明其特征从受限迁移转变为快速脱水，而进一步增加则收益递减。喉道尺寸也强烈影响传输：将喉道直径从 15 增加到 20 μm，最终残留含水率从 93.66% 降至 74.54%。液体迁移遵循孔隙储存 - 喉道传输 - 残留滞留序列，受离心驱动力和孔隙几何诱导阻力控制。中试规模试验表明，增加进气流量增强了污泥干燥，这与模拟的高自旋速度效应一致。这些发现将颗粒自旋、喉道结构和内部液体迁移联系起来，为 CSRD 优化提供了机理基础。

引言

在全球气候危机和低碳转型的背景下，减少污水处理的能耗和碳排放日益重要 [1]。污水处理消耗的电力约占全球能源消耗的 4% [2]。作为污水处理的主要副产品，污泥浓缩了污水中 30%–50% 的污染物和有机物，而其处理成本约占污水处理总成本的 60% [3]，[4]。随着人口增长和城市化，污泥产量持续增加。在中国，污泥产量在 2015 年至 2020 年间从 4000 万吨增加到了 6500 万吨（含水率 80%），预计到 2025 年全球污泥产量将超过 1 亿吨（含水率 80%）[5]，[6]。污泥含有重金属、有机污染物和病原微生物等有害成分；因此，需要进行减量化以降低运输负担并促进下游安全处置 [7]，[8]。包括带式和框式过滤在内的常规机械脱水方法，通常只能将污泥含水率从>90 wt% 降低到 60%-70 wt%。通常需要进一步干燥至 40 wt% 以下才能进行填埋、焚烧或资源回收 [9]，[10]。

热风干燥和流化床干燥等热干燥技术广泛用于深度污泥脱水 [11]，[12]。然而，常规热干燥主要依赖液 - 气相变，必须克服水汽化潜热（~2260 kJ/kg），导致能耗高。它还可能涉及粉尘爆炸、挥发性有机化合物排放和设备腐蚀等风险 [13]，[14]。化学调理、超声、电场和微波处理也能增强污泥的脱水性能，但它们在不同程度上受到化学消耗、资本成本或操作复杂性的限制 [15]，[16]。因此，减少对液 - 气相变的依赖，同时通过机械驱动力增强内部液态水迁移，是走向低能耗污泥减量化的重要途径。

近年来，旋流强化为深度污泥脱水提供了一条新途径。污泥颗粒在旋转流的拖曳下围绕旋流轴公转，同时受流体剪切作用围绕自身质心进行高速自旋 [17]。利用同步高速成像，Wang 等人 [18] 观察到气固旋流中颗粒自旋速度为 2000–6000 rad/s，且在较高进气流量下增加显著。Shi 等人 [19] 进一步报告称，在进气流量为 35 m³/h 时，微型旋流器中的颗粒自旋速度可超过 14,000 rad/s，且气流速率和旋流锥角均增强了自旋。这些研究表明，旋流场可产生从几千到超过 10,000 rad/s 的颗粒自旋，为促进内部液体迁移提供了所需的离心驱动力。基于这种行为，Li 等人 [20] 开发了旋流自旋干燥（CSRD）。在载气温度低于 100 °C 且停留时间短于 15 s 的条件下，CSRD 实现了快速深度污泥脱水。水迁移和热平衡分析表明，非相变途径分别占垃圾填埋污泥和城市污泥去除水分的 68.94% 和 63.39%，表明相当一部分水可以通过机械方式去除，而不仅仅是通过热蒸发。然而，现有研究主要集中在旋流配置、操作参数和宏观脱水性能上，而颗粒自旋下内部液态水的孔隙尺度响应和排放路径仍知之甚少。

污泥含有复杂的孔隙 - 喉道网络，其中孔隙是相对较大的液态储存空间，喉道是连接相邻孔隙并控制液体迁移的狭窄通道 [21]。孔隙几何形状和连通性强烈影响多孔介质中液体传输阻力和残留水分分布 [22]，[23]。然而，在旋流自旋下，离心作用如何驱液体通过孔隙 - 喉道结构以及喉道几何形状如何调节这一过程仍不清楚。因此我们假设，污泥内的液体迁移由颗粒自旋产生的离心驱动力和喉道结构施加的传输阻力共同控制，使得自旋速度和喉道尺寸的变化会改变液体迁移和排放。

Nano-CT 和三维重建技术的进步为研究这些孔隙尺度过程提供了有效工具 [24]。Wang 等人 [25] 利用 Nano-CT 重建了污泥的三维孔隙结构，并在微模型实验中直接可视化了水的迁移，证明了孔隙结构和连通性对污泥脱水的重要性，为研究真实孔隙几何形状中的液体迁移提供了方法学基础。

因此，本研究采用 Nano-CT 成像和 Avizo 三维重建技术表征机械压滤污泥的微米级孔隙结构，并建立代表性孔隙 - 喉道模型。随后采用 VOF 模型模拟颗粒自旋下孔隙空间内的气液迁移，重点关注自旋速度和喉道尺寸的影响。分析液体分布、脱水速率、速度场和压力场以阐明孔隙尺度迁移机制。进一步在不同进气条件下进行了中试规模 CSRD 实验，并将由此产生的干燥趋势与模拟的增强趋势进行比较。本研究旨在将宏观颗粒自旋与内部孔隙尺度液体迁移联系起来，从而为理解和优化 CSRD 提供机理基础。

章节片段

研究框架和工作流程

总体研究框架如图 1 所示。首先，通过 Nano-CT 成像和三维重建表征机械压滤污泥。在重建的颗粒内选择代表性区域，并提取孔隙尺寸、喉道尺寸、喉道长度和配位数以建立代表性孔隙 - 喉道几何形状。然后构建气液 VOF 模型，并施加规定的颗粒自旋速度进行模拟

自旋速度对孔隙尺度液体迁移的影响

利用基准孔隙 - 喉道几何形状考察了自旋诱导离心作用对孔隙尺度液体迁移的影响。如图 6(a-b) 所示，在 200–1000 rad/s 时，0.5 s 时的最终残留含水率保持在约 94%，表明离心驱动力不足以克服喉道中的液体传输阻力，且大部分液体保留在孔隙中。在 2000、3000 和 4000 rad/s 时，最终残留含水率降至

结论

结合 Nano-CT 孔隙表征和 VOF 模拟研究了自旋速度和喉道尺寸对污泥孔隙尺度液体迁移的影响，并利用中试规模实验评估了 CSRD 的工程规模趋势。主要结论如下：

• (1)
  自旋诱导的离心作用强烈控制孔隙尺度液体迁移。在代表性孔隙 - 喉道模型中，在 200–1000 rad/s 时液体迁移受到强烈限制。增加

竞争利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金（52522009, 52270104）、上海基础研究试点项目（22TQ1400100-19）和中央高校基本科研业务费的支持。

朱英杰 | 郑凯 | 陆子凡 | 陶鹏程 | 刘俊杰 | 蒋志钦 | 魏奥松 | 王华林 | 付鹏波

华东理工大学工业废水解毒与资源回收国家工程研究中心，中国上海 200237。